"Verfahren zum Herstellen eines Bauteils sowie Verwendung des nach dem Verfahren hergestellten Bauteils"

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils basierend auf dreidimensionalen Daten des Bauteils unter Verwendung von Pulver- Werkstoffen, wobei mindestens ein Abschnitt des Bauteils, der ein zusammenhängendes Bauteil-Volumen darstellt, datenmäßig in einen Hüllbereich und einen Kernbereich unterteilt wird, wobei eine Bauplattform, die eine Aufbauebene in x-y-Richtung in einem rechtwinkligen x-y-z- Koordinatensystem darstellt, bereitgestellt wird, darauf nacheinander Pulverschichten in z- Richtung übereinander aufgebracht werden und jede Pulverschicht in einem definierten Querschnittsbereich, der einem Querschnittsbereich entsprechend den Daten des Bauteils entspricht, mittels Energiestrahlung verfestigt wird, wobei die jeweiligen dem aufzubauenden Bauteil entsprechenden Querschnittsbereiche der jeweils folgenden Pulverschicht mit dem jeweils darunter liegenden zuvor verfestigten Querschnittsbereich verbunden werden.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die generative Fertigung (Rapid Manufacturing, Rapid Prototyping) von Bauteilen. Bei der generativen Fertigung werden Bauteile schichtweise durch Hinzufügen von Material aufgebaut. Bei den bekannten Verfahren Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), LaserCusing, Electron Beam MeI- ting (EBM) oder 3D-Printing wird der hinzuzufügende Werkstoff in Pulverform verarbeitet. Der Pulverwerkstoff wird in einer dünnen Schicht (ca. 100μm) auf eine absenkbare Bauplattform aufgetragen. Die Pulverschicht wird anschließend selektiv verfestigt, z.B. indem mit einem Laser- oder Elektronenstrahl gemäß den Geometriedaten des herzustellenden Bauteils der Bereich der Pulverschicht abgescannt wird, der zur entsprechenden Bauteilschicht gehört. Durch Einwirkung der energetischen Strahlung schmilzt oder versintert der Pulverwerkstoff in diesem Bereich. Beim 3D-Printing wird die Pulverschicht verfestigt, indem ein Bindemittel selektiv in die zum Bauteil gehörenden Bereiche eingebracht wird. Danach wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt. Anschließend wird eine

neue Pulverschicht darüber aufgetragen und wiederum verfestigt. So wird Schicht für Schicht ein Bauteil aus Pulver aufgebaut.

Ein Verfahren, wie es vorstehend beschrieben ist, zur schnellen Herstellung eines Formkörpers, insbesondere eines Prototyps eines Produkts oder Bauteils, ist in der DE 196 49 865 C1 beschrieben.

Diese Verfahren werden zur schnellen Herstellung von Prototypen, Einzelteilen oder Kleinserien eingesetzt. Außerdem werden mit generativen Verfahren Bauteile gefertigt, die aufgrund ihrer komplexen (internen) Geometrie nicht mit anderen Verfahren (spanend o- der gießtechnisch) herstellbar sind. Ein Beispiel hierfür ist die Fertigung von Einsätzen für Spritzgießwerkzeuge mit inneren konturnahen Kühlkanälen. Als Pulverwerkstoffe werden Metalle, Keramiken und Kunststoffe verwendet.

Mit dem vorstehend beschriebenen Rapid Manufacturing Verfahren werden Bauteile schichtweise aus einem Pulverwerkstoff aufgebaut. Beim Aufbau wird im Allgemeinen das gesamte Bauteilvolumen durch das Verschmelzen des Pulverwerkstoffs hergestellt. Die Verfahrensparameter (z. B. Schichtdicke, Laserleistung, Strahldurchmesser, Scangeschwindigkeit) werden dabei so gewählt, dass eine möglichst gute Bauteilqualität bezüglich Oberflächenqualität, Detailauflösung und Bauteildichte erreicht wird. Diese Parameter führen im Allgemeinen zu einer relativ geringen Aufbaurate. Dadurch ist der Ferti- gungsprozess für viele Anwendungen unwirtschaftlich. Zur Beschleunigung des Aufbauprozesses wird teilweise die so genannte Hülle-Kern Strategie eingesetzt. Dabei wird das Bauteil virtuell in einen Hüllbereich und einen Kernbereich aufgeteilt. Der Hüllbereich um- fasst das Bauteilvolumen, das sich in einem bestimmten Abstand zur Oberfläche des Bauteils befindet. Der Kernbereich umfasst das restliche Bauteilvolumen, das sich weiter im Innern des Bauteils befindet. Beim schichtweisen Aufbau wird nur der Hüllbereich mit den Verfahrensparametern aufgebaut, die eine gute Bauteilqualität bezüglich Oberflächenqualität, Detailauflösung und Dichte ergeben, jedoch eine geringe Aufbaurate aufweisen. Der Kernbereich wird mit solchen Verfahrensparametern aufgebaut, die eine geringere Bauteilqualität ergeben, jedoch eine hohe Aufbaurate aufweisen. Damit kann der Bauprozess insgesamt beschleunigt werden, die Bauteilqualität ist jedoch nicht im gesamten Bauteilvolumen gleich.

Ein weiterer Nachteil der oben angegebenen Verfahren ist darin zu sehen, dass bisher nur ein Werkstoff für den Aufbau eines Bauteils verwendet werden kann. Deshalb besteht bei der generativen Fertigung bisher nicht die Möglichkeit, ein Bauteil aus lokal unterschiedlichen Werkstoffen aufzubauen und dadurch lokal unterschiedliche Funktionseigenschaften einzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen so weiterzubilden, dass die generative Fertigung von Bauteilen erheblich beschleunigt werden kann, vorzugsweise bei Bauteilen mit massiver Geometrie, wie z. B. bei Formeinsätzen für Spritzgießwerkzeuge. Außerdem sollen mit der Erfindung Bauteile aus einer Werkstoffkombination herstellbar sein.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch, dass zunächst aus den Pulverschichten der Hüllbereich des Bauteil-Volumens, basierend auf den Daten, als feste Hülle aufgebaut wird, danach der im Kernbereich des Bauteil-Volumens, der von der festen Hülle umgeben ist, angesammelte Pulverwerkstoff entfernt wird, und anschließend der leere Kernbereich mit einem weiteren Werkstoff aufgefüllt wird.

Die Pulverschichten können aus reinem Pulverwerkstoff gebildet werden; es besteht aber auch die Möglichkeit Pulverschlicker, d. h. in einem Bindemittel (fest oder flüssig) eingebundenes Pulver, einzusetzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht somit darin, Bauteile durch Kombination von generativer Fertigung und z. B. gießtechnischer Fertigung herzustellen. Dazu wird das Bauteil, wie vorstehend angegeben, in einen Hüll- und einen Kernbereich aufgeteilt. Mit der generativen Fertigung wird nur der Hüllbereich des Bauteils aufgebaut. Das Volumen des Kernbereiches wird dagegen nicht generativ aufgebaut. Das innerhalb des Hüllbereichs verbliebene nicht verfestigte Pulver wird durch eine öffnung in der Hülle entfernt. Das Volumen des Kernbereiches wird anschließend durch Eingießen eines Werkstoffs durch die öffnung in der Hülle ausgefüllt. Der Gusswerkstoff kann der gleiche Werkstoff sein wie der Werkstoff aus dem die Hülle aufgebaut wurde, oder kann ein dazu unterschiedlicher Werkstoff sein. Weiterhin kann der Kernbereich des Bauteils mittels Trennwänden, die mit der Hülle generativ mit aufgebaut werden, in unterschiedliche Kammern

unterteilt werden. Die unterschiedlichen Kammern können anschließend mit unterschiedlichen Werkstoffen ausgegossen werden.

Die Kombination der generativen Fertigung der Bauteilhülle mit gießtechnischer Fertigung zum Ausfüllen des Kernvolumens ermöglicht eine Verkürzung der Herstellzeit von insbesondere von massiven Bauteilen gegenüber der alleinigen generativen oder alleinigen gießtechnischen Fertigung, insbesondere bei Einzelteilen oder Kleinserien.

Die Verkürzung der Herstellzeit ergibt sich daraus, dass bei der generativen Fertigung nur die Bauteilhülle aufgebaut wird, die Zeit für das Abscannen des Bauteilkernbereiches mit dem Laserstrahl entfällt bei jeder Schicht. Das Ausgießen des Kembereichs ist mit nur geringem Zeitaufwand verbunden da die Herstellung einer Gießform entfällt, die Form ist durch die generativ aufgebaute Hülle bereits gegeben.

Außerdem ermöglicht die Erfindung die Herstellung von Bauteilen aus einer Werkstoffkombination. Die Bauteilhülle kann aus einem anderen Werkstoff gefertigt werden als der Werkstoff, mit dem der Kernbereich ausgegossen wird. Damit können z.B. Formeinsätze für Spritzgießwerkzeuge hergestellt werden, die eine Hülle aus Werkzeugstahl aufweisen und im Kern mit z.B. Kupfer oder Aluminium aufgefüllt, vorzugsweise ausgegossen, werden. Solche Formeinsätze besitzen dadurch eine harte und damit verschleißbeständige Hülle (Werkzeugstahl) und einen gut wärmeleitenden Kern (Kupfer), was eine gute und gleichmäßige Kühlung des Werkzeugs ermöglicht. Zusätzlich können durch die generative Fertigung konturnahe Kühlkanäle im Formeinsatz integriert werden.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der Pulverwerkstoff über mindestens einer öffnung entfernt, die anschließend zum Einfüllen des Werkstoffs bzw. zum Eingießen eines Gießwerkstoffs verwendet wird. Diese öffnung wird bei dem Aufbau des Hüllbereichs an geeigneter Stelle vorgesehen, vorzugsweise dort, wo sie für das fertig gestellte Bauteil und dessen spezifischer Funktionsweise unerheblich ist.

Mit dem angegebenen Verfahren ist es möglich, das Bauteil in mehrere Abschnitte, die jeweils einen zusammenhängenden Bereich des Bauteils bilden, zu unterteilen. Anschließend werden die jeweiligen zusammenhängenden Bereiche in einen Hüllbereich und ei-

nen Kernbereich unterteilt, dann die Hüllbereiche aufgebaut, und danach werden die von den Hüllbereichen umgebenen Kernbereiche, soweit erforderlich, mit Werkstoff aufgefüllt.

Einzelne Kernbereiche, die von Hüllbereichen begrenzt sind, können durch weitere Trennwände unterteilt werden, gegebenenfalls mit entsprechenden öffnungen, um dann anschließend das Pulver zu entfernen und diese Teil-Kernbereiche mit einem Werkstoff, vorzugsweise mit einem Gießwerkstoff, aufzufüllen. Solche Trennwände können zusammen mit dem Hüllbereich aus verfestigten Pulverschichten aufgebaut werden.

Als Pulverwerkstoff wird vorzugsweise ein Metallpulver eingesetzt, das in den unterschiedlichen Formen gut erhältlich ist, insbesondere in Pulver- oder Granulatform, und sich sehr gut aufschmelzen lässt, um die einzelnen, verfestigten Schichten zu erzeugen. Als Pulverwerkstoff hat sich ein Metallpulver mit einer Korngröße im Bereich von 5 bis 100 μm bewährt, mit dem die geeigneten, dünnen Schichtdicken der einzelnen Pulverschichten gebildet werden können. Die Pulverschichten sollten eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 400 μm aufweisen.

Als Gießwerkstoff wird vorzugsweise ein Metall eingesetzt.

Wie bereits erwähnt, können die Bauteile, die so hergestellt werden, wie dies vorstehend beschrieben ist, als Formeinsatz für Spritzgießwerkzeuge verwendet werden.

Vorzugsweise wird das Bauteil als Formeinsatz für Spritzgießwerkzeuge verwendet, wobei der Hüllbereich aus verschleißbeständigem bzw. korrosionsbeständigem Werkzeugstahl gebildet ist und die Kernbereiche mit einem gut wärmeleitenden Material ausgegossen sind.

Auch eignet sich ein solches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil als Formeinsatz für Gießspritzwerkzeuge, wobei der Hüllbereich aus Werkzeugstahl gebildet ist, die Kernbereiche mit einem gut wärmeleitenden Material ausgegossen sind und weiterhin Hüllbereiche gebildet sind, die als Kühlkanäle dienen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In den Zeichnungen

zeigen die Figuren 1 bis 7 in einzelnen Stufen den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zum Herstellen eines einfachen Bauteils.

Zunächst wird das herzustellende Bauteil 1 als CAD-Datenmodell mittels einer entsprechenden Software in Form von dreidimensionalen Daten generiert, wobei das in Figur 1 gezeigte Bauteil in ein Bauteilvolumen 2 und Kühlkanäle 3 unterteilt ist.

Es ist darauf hinzuweisen, dass in Figur 1 ein solches Bauteil nur schematisch im Querschnitt in einer zweidimensionalen Darstellung gezeigt ist. Es sollte verständlich sein, dass das Bauteil eine wesentlich kompliziertere Struktur als diejenige, die dargestellt ist, aufweisen kann.

Als nächstes folgt, in einem Schritt 2, der in Figur 2 dargestellt ist, die rechnerische Aufteilung des Bauteils der Figur 1 in Hüllbereiche 4 und Kernbereiche 5. Der äußere Hüllbereich 4 begrenzt das Bauteilvolumen 2 und bildet die spätere Außenkontur des Bauteils, während die im Bauteilvolumen 2 liegenden Hüllbereiche 4a die späteren Kühlkanäle 3 begrenzen.

Im nächsten Schritt wird in der Geometrie, die in Figur 2 gezeigt ist, zumindest in dem äußeren Hüllbereich 4, eine öffnung 6 positioniert.

Der entsprechend Figur 3 generierte Baukörper wird nun in einer entsprechenden Vorrichtung aufgebaut, die schematisch im Querschnitt in Figur 4 dargestellt ist. Um die Richtung des Aufbaus dieses Bauteils zu Figur 4 zu korrelieren, sind in Figur 3 und Figur 4 die x-, y- und z-Richtungen eines rechtwinkligen Koordinatensystems angegeben.

Diese Vorrichtung umfasst eine Bauplattform 7, die durch seitliche Wände 8 an vier Seiten begrenzt ist. Die Bauplattform 7, die eine Ebene in der x-y-Richtung aufspannt, ist über geeignete Einrichtungen in Richtung des Pfeils 9, d. h. in der negativen z-Richtung, in Schritten absenkbar.

Oberhalb der Bauplattform 7 wird zunächst eine erste Pulyerschicht (in der x-y-Ebene) aus Pulver 10 in einer gleichmäßigen Dicke in der z-Richtung, beispielsweise in einer Dicke von z. B. 10 bis 400 μm, aufgebracht. Anschließend wird das Pulver 10, vorzugsweise ein Metallpulver, z. B. aus Werkzeugstahl, mittels Laserstrahlung (nicht näher gezeigt) ent-

sprechend dem Hüllbereich 4 (bei dem gezeigten Bauteil die Bodenfläche) aufgeschmolzen und somit verfestigt. Das Pulvermaterial, das ansonsten die Bauplattform 7 bedeckt, verbleibt als Pulver 10.

Nachdem die erste Schicht entsprechend der Bauteilhülle 4 aufgeschmolzen ist, wird die Bauplattform 7 um einen weiteren vorgegebenen Weg in der negativen z-Richtung abgesenkt, eine nächste Pulverschicht wird gleichmäßig aufgebracht, so dass auch der bereits aufgeschmolzene Teil des Hüllbereichs 4 bedeckt ist. Anschließend wird das Pulver 10 entsprechend den dreidimensionalen Daten des Bauteils an den darunter liegenden, bereits verfestigten, aufgeschmolzenen Pulverbereichen angeschmolzen. über mehrfaches Absenken der Bauplattform 7, jeweiliges Aufbringen einer weiteren Pulverschicht und Anschmelzen der Pulverschichten an den zuvor verfestigten Pulverbereichen wird ein Bauteil aufgebaut, wie es als Konstruktion in Figur 2 gezeigt ist, d. h. es werden sowohl der äußere Hüllbereich 4 als auch die jeweiligen Hüllbereiche 4a der Kühlkanäle 3 gebildet. Die Zwischenräume sind mit losem Pulver 10 gefüllt.

Nachdem das Bauteil aufgebaut ist, wird die Anordnung, wie sie in Figur 4 zu sehen ist, gekippt, angedeutet durch einen Pfeil 11 in Figur 5, so dass das nicht verfestigte Pulver 10 innerhalb des äußeren Hüllbereichs 4 aus der öffnung 6 heraus laufen kann. Auch die Kernbereiche, die durch die Hüllbereiche 4a umgeben sind, die den Kühlkanälen zugeordnet sind, werden von dem Pulver 10 entleert, wozu die Anordnung entsprechend gekippt wird oder aber weitere, nicht näher gezeigte öffnungen in dem Hüllbereich 4a für die Kühlkanäle für eine solche Entleerung vorgesehen werden.

Das von dem Pulver 10 entleerte Bauteil, das nur aus den verfestigten Hüllbereichen 4 und 4a besteht, wird mit der öffnung 6 nach oben weisend positioniert, wie dies in Figur 6 zu sehen ist, und mit einem flüssigen Werkstoff 12 ausgegossen. Dadurch wird das Bauteilvolumen 2 zwischen dem äußeren Hüllbereich 4 und den Hüllbereichen 4a der Kühlkanäle gefüllt. Das fertig gestellte Bauteil ist in Figur 7 gezeigt, wobei das z. B. erstarrte Gussmaterial mit 13 bezeichnet ist.

Mit der vorstehend beschriebenen Verfahrensweise können somit sehr schnell auch komplizierte Bauteile, die ein weitgehend gefülltes Innenvolumen haben, aufgebaut werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, sowohl den Hüllbereich 4 als auch den Kernbereich 5

aus denselben Materialien aufzubauen, oder aber Hüllbereich und Kernbereich aus unterschiedlichen Materialien zu fertigen, indem die Hüllbereiche 4 und 4a aus einem bestimmten Material aufgebaut werden und später der Kernbereich 5 oder die Kernbereiche 5 mit einem anderen Werkstoff ausgegossen werden, wie dies die Figur 6 zeigt.

Das vorstehende Beispiel kann als ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines Formeinsatzes mit integrierten Kühlkanälen für ein Spritzgießwerkzeug angesehen werden, auch wenn die Figuren 1 bis 7 den Verfahrensablauf nur sehr schematisch darstellen.

Mit der erzeugten Werkstoffkombination aus Werkzeugstahl-Hülle und Kupfer-Kern sowie den mittels generativer Fertigung integrierten Kühlkanälen können die Anforderungen an eine hohe Verschleißbeständigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit in einem Formeinsatz gleichzeitig erfüllt werden.